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嵌入式系統(tǒng)中高頻PCB的設(shè)計(jì)技巧

2021-04-20

嵌入式系統(tǒng)中高頻PCB的設(shè)計(jì)技巧

當(dāng)今的高速嵌入式系統(tǒng)結(jié)合了各種功能，組件，數(shù)字接口，當(dāng)然還包括無(wú)線/ RF信令。如果您要設(shè)計(jì)具有任何計(jì)算能力的嵌入式系統(tǒng)，并且還包括模擬前端，那么您將面臨多個(gè)混合信號(hào)設(shè)計(jì)難題。無(wú)論是簡(jiǎn)單的低于1 GHz的無(wú)線電連接，Wifi / BLE還是數(shù)千兆以太網(wǎng)，嵌入式系統(tǒng)都需要某種方式來(lái)與外界交互，而這種方式不依賴于純數(shù)字信令。這適用于背板，單板計(jì)算機(jī)，IoT產(chǎn)品等系統(tǒng)。

利用當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)中使用的高頻信號(hào)，電路板設(shè)計(jì)人員有責(zé)任在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期就解決這些問(wèn)題。成功的高頻PCB設(shè)計(jì)可歸結(jié)為三個(gè)方面的成功：

疊層設(shè)計(jì)和接地

元件放置

布線和阻抗控制

這聽(tīng)起來(lái)很明顯，這是我們?cè)诖瞬┛偷脑S多文章中介紹的基本設(shè)計(jì)技巧。但是，這里要強(qiáng)調(diào)這些要點(diǎn)，因?yàn)榫哂心承?shù)字功能的高頻PCB，尤其是現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)，在這三個(gè)方面都必須依靠成功來(lái)確保系統(tǒng)按設(shè)計(jì)運(yùn)行。為了幫助您開(kāi)始下一個(gè)PCB的布局和布局，讓我們從嵌入式系統(tǒng)的高頻設(shè)計(jì)方面來(lái)看每個(gè)領(lǐng)域。

高頻PCB的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

正如我將簡(jiǎn)要討論的那樣，高頻PCB和數(shù)字系統(tǒng)所涉及的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)都集中在信號(hào)完整性上，并在某種程度上講是電源完整性。我們?cè)谶@里考慮的PCB類型是用于嵌入式系統(tǒng)的板，其中還將包括一些RF功能。射頻部分可以通過(guò)諸如WiFi或BLE的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線協(xié)議實(shí)現(xiàn)，而數(shù)字部分幾乎可以與MCU，MPU或FPGA接口。

隔離高頻信號(hào)

這些系統(tǒng)中最重要的設(shè)計(jì)考慮因素可能是隔離數(shù)字和模擬信號(hào)。如果系統(tǒng)具有模擬部分，天線饋線等，則需要將模擬部分與數(shù)字部分隔離開(kāi)來(lái)，因?yàn)榇當(dāng)_會(huì)干擾模擬信號(hào)。這是最好使用波導(dǎo)路由的原因之一，因?yàn)樗梢蕴峁┳匀桓綦x，正如我將在下面更詳細(xì)地解釋的那樣。

如果您可以成功完成此部分，那么您將更接近在模擬部分生產(chǎn)具有更高EMI抗擾度的模擬部分。正如我將在下面討論的，最好在堆疊階段（設(shè)計(jì)的開(kāi)始）而不是在布線階段（設(shè)計(jì)的末尾）開(kāi)始考慮這一點(diǎn)。首先，嵌入式系統(tǒng)在布局設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮一些特性。

是什么使嵌入式技術(shù)與眾不同？

嵌入式系統(tǒng)與許多其他帶有高頻PCB的數(shù)字系統(tǒng)之間的區(qū)別是使用高速數(shù)字接口。盡管高速計(jì)算接口使用差分對(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但仍有可能在數(shù)字部分和模擬部分之間引起共模噪聲（串?dāng)_）。此外，上升時(shí)間較快的信號(hào)會(huì)將其信號(hào)功率集中到更高的頻率，因此在單端RF互連上更有可能顯示為噪聲。

由于您基本上是在處理高速運(yùn)行的小型計(jì)算機(jī)，因此您還需要考慮電源完整性，尤其是地面彈跳/軌道彈跳。兩種效果基本相同，只是以不同的方式表現(xiàn)出來(lái)。

下表簡(jiǎn)要總結(jié)了設(shè)計(jì)帶有模擬部分的嵌入式系統(tǒng)時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)。通常，我們可以將每個(gè)領(lǐng)域中的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)與堆疊設(shè)計(jì)，布線/阻抗控制和隔離的三個(gè)基本原理聯(lián)系起來(lái)。

顯然，在嘗試設(shè)計(jì)具有模擬/ RF部分的高速嵌入式系統(tǒng)時(shí)，有很多地方需要檢查。另一個(gè)有問(wèn)題的領(lǐng)域是每個(gè)領(lǐng)域的解決方案都取決于頻率。由于這是一篇高水平的文章，因此沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)介紹各個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，但是我將在適當(dāng)?shù)牡胤芥溄拥狡渌恼隆?span>

它始于地平面和疊層設(shè)計(jì)

正確的PCB疊層可以解決大多數(shù)電源完整性和信號(hào)完整性問(wèn)題。堆疊還會(huì)影響可溶解性，可布線性，阻抗控制，EMI / EMC，熱控制和隔離。如果您要設(shè)計(jì)具有高速數(shù)字接口和模擬部分的嵌入式系統(tǒng)，那么可以使用堆棧來(lái)開(kāi)始考慮您的設(shè)計(jì)。

我在下面顯示了一個(gè)8層堆棧，它將在內(nèi)部為低速信號(hào)和所需的附加平面提供空間，但是我僅在板的頂部和底部標(biāo)記了重要的信號(hào)和平面層。如果您不需要此額外空間，則可以使用信號(hào)/平面/平面/信號(hào)布置在4層停下來(lái)。這里的重點(diǎn)是，我允許2個(gè)參考層彼此相鄰，而與其他層無(wú)關(guān)。堆疊類型的目標(biāo)是使參考平面彼此靠近，以防止可能導(dǎo)致信號(hào)完整性問(wèn)題的電源完整性問(wèn)題類型 。 

如果需要，這種類型的疊層將為您提供兩個(gè)組件層，電路板每側(cè)之間的大量接地以及可用于電源/地平面對(duì)以提供足夠的平面間電容的相鄰平面層。第2層和第（N-1）層上的參考平面是確保整個(gè)板上的阻抗控制，隔離和一致參考的關(guān)鍵層。這種類型的高層數(shù)堆棧（至少6個(gè)）對(duì)于占位面積較小的更高級(jí)的系統(tǒng)很常見(jiàn)。

如果您使用的是純模擬或混合信號(hào)設(shè)備，則在堆疊和接地平面圖中要考慮許多重要事項(xiàng)。但是，您還必須將高速/高頻組件放置在板上，因此在開(kāi)始布線之前自然要先檢查一下組件的放置。

元件放置在頂部參考平面上方

首先，您應(yīng)該將接地層分為數(shù)字部分和模擬部分，但要使這兩個(gè)部分保持物理連接，以提供始終如一的低電抗接地路徑。如果您正在使用多個(gè)頻率的頻率RF信號(hào)，請(qǐng)考慮將第三個(gè)模擬地切開(kāi)以用于這些信號(hào)和組件。如果您按照上面的說(shuō)明堆疊地面和電源，那么您已經(jīng)對(duì)電源部分進(jìn)行了相同的操作，并且理想情況下，可以防止PDN中高傳輸阻抗引起的多端口激勵(lì)。

使您的數(shù)字部分和RF部分在接地層上方分開(kāi)，并遵循返回路徑，以確保信號(hào)在PCB布局中被隔離。

隔離布線高頻PCB

要考慮的下一點(diǎn)是如何在組件之間路由走線。但是，您可能還需要一些策略來(lái)隔離不同板部分之間以及各個(gè)互連之間，以防止干擾。一些策略包括：

表面層上的共面波導(dǎo)布線，特別是組件之間的走線，到饋線的走線或到同軸連接器的走線。

如果您有足夠高的層數(shù)，請(qǐng)考慮為帶狀線布線留出一層。請(qǐng)注意這一點(diǎn)，因?yàn)檫^(guò)孔會(huì)在超高頻（mmWave）上產(chǎn)生問(wèn)題。

由于會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)異相輻射源，因此將接地通孔柵欄放置在RF電源平面周圍可提供良好的抑制效果。

考慮使用帶隙結(jié)構(gòu)來(lái)提供隔離，因?yàn)樗鼈兛梢灾苯佑∷⒌礁哳lPCB上。

與如何進(jìn)行布線以防止干擾相比，如何設(shè)計(jì)互連以確保一致的阻抗匹配并不重要。這里最重要的一點(diǎn)可能是跟蹤返回路徑，并使RF互連遠(yuǎn)離數(shù)字部分。只要您的RF互連附近沒(méi)有大的返回電流，就可以減少對(duì)串?dāng)_的擔(dān)心。盡管如此，在進(jìn)行原型設(shè)計(jì)之前，仍有很多要評(píng)估的要點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)求解器可以幫助發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題。

在使用現(xiàn)場(chǎng)求解器進(jìn)行原型設(shè)計(jì)之前評(píng)估您的電路板

只要您能消除原型運(yùn)行并發(fā)現(xiàn)超高頻率的信號(hào)/電源完整性問(wèn)題，就可以節(jié)省時(shí)間和金錢。正確的現(xiàn)場(chǎng)求解器可以幫助您完成PCB布局并計(jì)算確保RF產(chǎn)品將按設(shè)計(jì)工作所需的重要信號(hào)完整性指標(biāo)。在高頻PCB中，要檢查的一些重要點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，輻射EMI以及不同板部分之間的干擾。如果您將天線直接放在板上，則還需要檢查輻射方向圖和輻射功率。